什么是量子信息技术？有哪些？主要技术路线一览

1 量子信息技术是什么

量子信息技术通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术在信息安全、通信网络、人工智能、空间探测、生物医疗等诸多领域将产生基础共性乃至颠覆性的重大影响。量子技术主要可分为三类，分别为量子计算、量子通信和量子测量。

2 量子计算技术路线情况

量子计算依赖量子比特，根据实现量子比特的制备操控方案的不同，当前量子计算其存在超导、离子阱、硅基半导体和光量子多种技术路线，目前尚未出现压倒性的技术，处于多技术并行状态。

(1)超导量子芯片：超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计、制备和测量等方面，与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。由于近年来的迅速发展，超导量子计算已成为目前有希望实现通用量子计算的候选方案之一。超导量子计算实验点致力于构建一个多比特超导量子计算架构平台，解决超导量子计算规模化量产中遇到的难题。

(2)半导体量子芯片：由于经典计算机主要基于半导体技术，基于半导体开发量子计算也是物理学家研究的重点领域。相比超导量子计算微米级别的比特大小，量子点量子比特所占的空间是纳米级别，类似于大规模集成电路一样，更有希望实现大规模的量子芯片。现在的主要方法是在硅或者砷化镓等半导体材料上制备门控量子点来编码量子比特。编码量子比特的方案多种多样，在半导体系统中主要是通过对电子的电荷或者自旋量子态的控制实现。

(3)离子阱量子计算：离子阱量子计算在影响范围方面仅次于超导量子计算。早在2003年，基于离子阱就可以演示两比特量子算法。离子阱编码量子比特主要是利用真空腔中的电场囚禁少数离子，并通过激光冷却这些囚禁的离子。离子阱的读出和初始化效率可以接近100%，

这是它超过前两种比特形式的优势。单比特的操控可以通过加入满足比特两个能级差的频率的激光实现，两比特操控可以通过调节离子之间的库伦相互作用实现。

(4)原子量子计算：除了利用离子，较早的方法还包括直接利用原子来进行量子计算。不同于离子，原子不带电，原子之间没有库伦相互作用，因此可以非常紧密地连在一起而不相互影响。

(5)核自旋量子计算：1997年，斯坦福大学的Chuang等人提出利用核磁共振来进行量子计算的实验，之后，基于核自旋的量子计算迅速发展，Grover搜索算法和七比特Shor算法相继在核自旋上实现。迄今为止，它的单比特和两比特保真度可以分别达到99.97%和99.5%。这种方法一般是利用液体中分子的核自旋进行实验，由于分子内部电子间复杂的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振频率，因而可以被单独操控;不同的核自旋通过电子间接发生相互作用，可以进行两比特操作。下图是一种用于核磁共振实验的分子，里面的两个C原子用13C标记，加上外面5个F原子，它们7个构成实验用的7个比特，表中是比特频率、相干时间和相互作用能。

(6)拓扑量子计算：拓扑量子计算是一种被认为对噪声有极大免疫的量子计算形式，它利用的是一种叫做非阿贝尔任意子的准粒子。为了实现量子计算，首先要在某种系统中创造出一系列任意子-反任意子，然后将这些任意子的两种熔接(fusion)结果作为量子比特的两个

能级，再利用编织(braiding)进行量子比特的操控，最后通过测量任意子的熔接结果得到比特的末态。这一系列操作对噪声和退相干都有极大地免疫，因为唯一改变量子态的机制就是随机产生的任意子-反任意子对干扰了比特的编织过程，但这种情况在低温下是非常罕见的，噪声和其他量子比特系统常见的电荷等相比，影响是非常小的。

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